El caos determinista, la falla de San Andrés y los terremotos en Parkfield

Por Francisco R. Villatoro, el 6 abril, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Mecánica • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Dibujo20160406 Recurrence pattern and source characteristics of the period-doubling Parkfield tremors nature17190_F2

El 28 de septiembre de 2004 un terremoto de magnitud 6,0 en Parkfield, California, cambió el patrón de terremotos en esta ciudad, considerada la capital mundial de los terremotos. Situada justo encima de la Falla de San Andrés, desde abril de 2003 había ráfagas de terremotos cada tres y cada seis días, de forma alterna. Esta bifurcación de doble periodo es una señal clara de caos determinista. Una magnífica ilustración del llamado efecto mariposa en sismología que se publica en Nature.

Recuerda que el caos determinista hace imposible la predicción a largo plazo. En los sistemas caóticos pequeñas variaciones en la falla implican grandes cambios en su comportamiento futuro. El artículo es Deepa Mele Veedu, Sylvain Barbot, “The Parkfield tremors reveal slow and fast ruptures on the same asperity,” Nature (04 Apr 2016), doi: 10.1038/nature17190.

Dibujo20160406 numerical simulations Recurrence pattern and source characteristics of the period-doubling Parkfield tremors nature17190_F2

La presencia de caos determinista en la dinámica de los seísmos en Parkfield ha sido confirmada mediante simulaciones por ordenador. Estos modelos predicen que la bifurcación de doble periodo volverá a aparecer, con lo que se volverá a repetir un seísmo de magnitud 6,0. Sin embargo, también indican que la predicción exacta de cuándo va a ocurrir raya lo imposible. Una de cal y otra de arena.

Dibujo20160406 The modelled mechanics behind the period-doubling tremors nature17190-f3

En el terremoto de magnitud 6,0 de septiembre de 2004 la falla se desplazó unos 50 cm. El nuevo artículo propone un modelo de la dinámica no lineal de la falla basado la resistencia a la fricción a baja velocidad debida a la presencia de microasperezas. Sin embargo, no debemos cantar victoria. Las bifurcaciones no lineales de periodo dos son un fenómeno genérico en dinámica no lineal. Que un modelo presente este comportamiento genérico no significa que sea un buen modelo para explicar las observaciones de un fenómeno concreto. Futuros estudios serán necesarios para dilucidar si el nuevo modelo tiene visos de ser el más adecuado en este caso.

Dibujo20160406 The Parkfield tremors Recurrence pattern and source characteristics of the period-doubling Parkfield tremors nature17190_F1

Resulta curioso que la fuente de los terremotos de periodo dos en Parkfield se encuentra a unos 30 km de distancia, en un punto justo bajo la carretera 46. Las fotos de la rotura del asfalto en esta carretera son famosas en la web. Pero lo más curioso es que el nuevo artículo ofrece la hipótesis de que las bifurcaciones de periodo dos podrían ser un fenómeno genérico de todas las fallas, sin importar su tamaño. Como siempre, futuros estudios serán necesarios para validar esta hipótesis tan sugerente.



4 Comentarios

    1. Hola Bibiana, no soy ni de lejos Geólogo, pero por si puedo ayudarte: el fenómeno que se describe tiene que ver con los sistemas que, aunque aparentemente tienen un comportamiento probabilístico, en realidad son sistemas caóticos derministas. Esto ocurre, como bien dice Francis, cuando son sistemas no lineales con variables relacionadas entre sí de manera no lineal y en los que el resultado del sistema es muy sensible además a pequeños cambios iniciales en las mismas (en resumen mental jeje).
      Y sin embargo, en estos sistemas cuando evolucionan y se ven los resultados en el tiempo de las variables, al dibujar su función, se encuentran “atractores”. Son como ciertos patrones que aún siendo extremadamente complejos, parecen poder detectar cierto orden en ese caos, y además con una razón o periodo entre ellos. Por eso se llama caos determinista.
      El más conocido de estos, y que fue el inicio del llamado efecto mariposa (por la forma de la función que describían y el ejemplo que puso del aleteo en Brasil que puede producir un tornado en Texas) fue el meteorólogo Lorenz. Puedes encontrar cientos de referencias e imágenes en la red.
      Este caos determinista tiene representaciones en muchos campos, por ejemplo en biología para explicar el ciclo de glicolisis en algunos organismos, o la evolución anual de colonias de insectos etc, y por supuesto en otras áreas de la ciencia ( física, química, sociología…. )
      El que en sismología se pueda explicar el patrón de repetición (este “atractor”) podría ayudar en un futuro a predecir los terremotos. El problema por supuesto, es no sólo identificar todas las variables y su medición, sino las pequeñas variaciones de las mismas tras cada estado final-inicial y su efecto en el resultado (de ahí que se comporte como un sistema caótico determinista).
      Pero creo también que es algo muy prometedor.
      Este es un tema además que plantea muchos debates ontológicos y epistemológicos a los filósofos de la ciencia, con la clásica pelea entre la determinación Laplaciana, o la antagónica de Popper etc.
      Un abrazo

    2. hola Bibiana, tampoco soy geologo, pero algo puedo añadir.

      Permíte una pequeña introducción:
      Los terremotos son un fenómeno muy pero que muy difícil de predecir. Hemos intentado un montón de técnicas: modelos lineales, no-lineales, estadísticos, estudio de correlaciones, etc., y cada vez que nos sentimos cerca, aparecen nuevos datos y nos echan todas las teorías por los aires. Esto ocurre por 3 razones:
      1- El conjunto litosfera-athenosfera es un sistema muy complejo. Es decir, obedece unas leyes mecánicas muy simples, pero cuando actuan en conjunto generan nuevas leyes que, con la adición del desorden inherente en cualquier sistema, dificultan mucho predecir su comportamiento.
      2- Toda esta física tan compleja ocurre oculta bajo nuestros pies. Casi todo lo que podemos saber sobre las dinámicas de la corteza es a través de la misma sismología. Es como si un medico tratase de entender que es un corazón tan solo escuchando los latidos.
      3- Los tiempos asociados a éstos fenómenos son muy largos. Muchísimo más que el tiempo que llevamos escuchándolos. Eventos que en pocos segundos pueden devastar medio planeta (como el terremoto de San Esteban en Sumatra) llevan siglos desarrollándose. Así que aún no tenemos una visión ‘global’ de todo el proceso.

      Siendo un sistema complejo, los físicos que nos dedicamos a ello, intentamos entenderlo des de la macro-escala dentro del marco de la mecánica estadística. Sin embargo, el ‘estado’ del sistema parece ser muy próximo a un punto crítico: se sugiere que el sistema esta auto-organizado para que se mantenga ahí, lo que dificulta mucho cualquier predicción. En resumidas cuentas, un punto crítico, significa que puede ocurrir cualquier cosa: cualquier pequeña perturbación (a la escala del desplazamiento de unos pocos átomos) puede quedarse en nada o, por el contrario, expandirse a través de todo el sistema y formar un terremoto de proporciones Bíblicas. Afortunadamente, parece que está siempre ‘cerca’ del punto critico pero un poquito por debajo, lo que nos puede permitir desarrollar las recientes herramientas de predicción que ahora mismo se están probando.

      En el otro extremo, se puede intentar determinar el problema des del punto de vista reduccionista. Es decir, tratando de reproducir la fenomenología a través de la descripción absoluta de los parámetros del sistema. Éste punto de vista es también muy fascinante, pero más cercano a una geología más ingenieril, y mis conocimientos son muy limitados.

      Por último, se puede tratar de entender el fenómeno en la mesoescala, que es de lo que trata el artículo en Nature. Lo bueno de éstos modelos es que permiten ligar el punto de vista reduccionista con el holístico o mecanico-estadísta. En éste caso, parten de un modelo micromecánico homogeneo y con leyes deterministas. La belleza del modelo es que reproduce un fenómeno no-lineal observado en un caso concreto. Y lo explica como un fenómeno de caos determinista que, tal y como cuenta JavPod, es el ‘menos no-lineal’ de los comportamientos no-lineales.

      Sobre el caso concreto de Parkfield. Lo que se estudian no son terremotos convencionales sino un fenómeno conocido como ‘seismic-tremor’ (algo así como temblor sísmico). No todos los desplazamientos entre placas son a través de terremotos. A veces el desplazamiento es suave, como ocurre en la athenosphera o a veces a nivel de tierra como en Hollister, California (el llamado ‘asesmic creep’). En el caso del seismic-tremor, el desplazamiento es episodico, algo que a veces se llama, con mucho acierto, terremotos lentos. La energía liberada puede ser la misma que en un terremoto, pero con muy poca intensidad, así que son muy difíciles de detectar y menos aún en una zona seismologicamente tan activa como California.

      Porque se detectaron en Parkfield? porque allí se desarrollo un experimento de medida de alta precisión. Con la fortuna de que acertaron de lleno en el lugar donde ocurriría un terremoto importante (de casualidad) y aun así fueron incapaces de predecirlo. Pero analizando los datos a posteriori, se detectó éste patrón de doble periodicidad precediendo el terremoto y de allí el entusiasmo en poder resolver éste enigma.

      Que importancia tiene este descubrimiento para el futuro de la sismología? De momento muy poca.
      Sin duda es interesante, y refuerza nuestra fe en los modelos micromecánicos.
      Pero lo más probable es que éste sea un fenómeno local y raro. Nos dice sobre la geomecánica lo que los roll-clouds del norte de Australia nos dicen sobre meteorología. Ni siquiera predice a posteriori el terremoto de Parkfield, más bien al contrario: el terremono destruye el sistema local que reproduce el modelo, al menos durante un tiempo.

      Espero haber respondido algunas dudas. (al menos me ha llevado un rato, intentarlo :))

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